مطالعه میزان تغییرات مدول یانگ و مقاومت شکست در ساختارهای کامپوزیت پلیمری دوتایی بر پایه‌ی پلی‌یورتان براساس بارگذاری تنش-کرنش جهت کاربرد در مهندسی بافت عروق خونی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی شیمی و زیست پزشکی، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 دانشیار مهندسی شیمی و زیست پزشکی، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

3 استادیار مهندسی پزشکی، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران.

4 استاد مهندسی شیمی، گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده

بیمارى عروق کرونر قلب از  مهمترین  بیمارىهاى قلبی و عروقی است. پیوند اتوگرافت درمان متداول این بیمارى است که در بعضی بیماران  به دلایل مختلف قابل استفاده نیست. از  این رو داشتن  جایگزین هاى مطلوب در این زمینه امرى ضرورى است. ساختارهاى نانوالیافی به دلیل توانایی بالا در  شبیه سازى ماتریس  برونسلولی و ایجاد تطابق بین خواص مکانیکی در  داربست هاى رگی مصنوعی با عروق طبیعی،  به عنوان بسترهاى بالقوه جهت کاربردهاى مهندسی بافت عروق مطرح  می شوند. هدف اصلی پژوهش  پیشرو ساخت و بهبود خواص مکانیکی  داربست هاى رگی مصنوعی با ساختارهاى کامپوزیت دوتایی، با استفاده از نانوالیاف پلیمرهاى  پلی یورتان،  پلی اتیلن ترفتالات و  پلی کاپرولاکتون به روش الکتروریسی آمیخته  می باشد. تمام ساختارها از نظر  ریخت شناسی و خواص مکانیکی مورد ارزیابی قرار  گرفته اند.  محدودهى تغییرات تنش و مدول یانگ در ساختارهاى  پلیکاپرولاکتون/ پلییورتان و  پلی اتیلنترفتالات/  پلی یورتان  به ترتیب٣٩ /٠ ±٦٦ /٢ تا٢٠ /٣ ±٠٥ /٩١ و٠٩ /٠ ±١٨ /٣ تا٤٢ /٣ ± ٣٢ مگاپاسکال است. همچنین محدوده تغییرات میانگین قطر الیاف و تخلخل در ساختارهاى کامپوزیتی به ترتیب (٤٩ ± ٣٤٣ تا ٣٨ ± ٢٨٣ نانومتر) و (١٢/٣ ±٦٠ /٨٥ تا٧٠ /١ ±٠ /١٨ درصد) گزارش شده است. بررسی ساختار و خواص مکانیکی  داربست هاى ساخته شده نشان  می دهد ساختار کامپوزیتی طراحی شده و بخصوص ساختار  پلی اتیلن ترفتالات/ پلی یورتان  می تواند دستاورد مناسبی جهت کاربردهاى مهندسی بافت عروق خونی باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Study of Young’s Modulus and Failure Strength of Polyurethane-Based Binary Polymer Composite Structures Based on Stress-Strain Curve for Tissue Engineering Vascular Graft Application

نویسندگان [English]

  • Nafiseh Jirofti 1
  • Davod Mohebbi-Kalhori 2
  • Afra Hajdizadeh 3
  • Abdolreza samimi 4
1 Chemical Engineering Department, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Chemical Engineering Department, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
3 Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
4 aC Chemical Engineering Department, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
چکیده [English]

The coronary arteries are of the important cardiovascular diseases. The autograft is the main treatment for this problem, but in many patients, the autografts are not applicable. So, due to a large number of requirements, it needs to find suitable replacements for diseases of blood vessels. Nanomaterial structures are highly contributive in tissue engineering vascular scaffolds due to their ability in mimicking the nanoscale dimension of the natural extracellular matrix and the existing mechanical match between the native vessel and the structure. The aim of this research was developing and mechanically improving nanofibrous hybrid structures using blend electrospinning methods with different ratios of the polyethylene terephthalate, polyurethane and polycaprolactone. The morphological and mechanical properties of all fabricated structures were evaluated. The average fiber diameter, porosity, stress and Young’s modulus changes’ range in composite structures (polycaprolactone/polyurethane and polyethylene terephthalate/polyurethane ) were obtained 343 ± 94 to 382 ± 83 nm, 58.6 ± 3.12 to 81 ± 1.7 %, 2.66 ± 0.39 to 19.05 ± 3.2 MPa and 3.18 ± 0.09 to 41.4± 3.31 MPa, respectively. According to results, the fabricated scaffolds as well as polyethylene terephthalate/polyurethane structure exhibited suitable mechanical and biological properties and clinical requirements as a small-diameter vascular graft.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Composite structure
  • Mechanical properties
  • Artificial blood vessels
  • Electrospinning
  • Tissue engineering

مراجع

[1] D.D. Swartz, S.T. Andreadis, Animal models for vascular tissue-engineering, Current opinion in biotechnology, 24(5) (2013) 916-925.
[2] S.E. Nissen, S.J. Nicholls, I. Sipahi, P. Libby, J.S. Raichlen, C.M. Ballantyne, J. Davignon, R. Erbel, J.C. Fruchart, J.-C. Tardif, Effect of very high-intensity statin therapy on regression of coronary atherosclerosis: the ASTEROID trial, Jama, 295(13) (2006) 1556-1565.
 [3] L. Xue, H.P. Greisler, Biomaterials in the development and future of vascular grafts, Journal of vascular surgery, 37(2) (2003) 472- 480.
 [4] B.C. Isenberg, C. Williams, R.T. Tranquillo, Small-diameter artificial arteries engineered in vitro, Circulation research,, 98(1) (2006) 25-35.
 [5] R. Guidoin, R. Snyder, J. Awad, M. King, Biostability of vascular prostheses, in: Cardiovascular biomaterials, Springer, 1992, pp. 143-172.
[6] A. Hasan, A. Memic, N. Annabi, M. Hossain, A. Paul, M.R. Dokmeci, F. Dehghani, A. Khademhosseini, Electrospun scaffolds for tissue engineering of vascular grafts, Acta biomaterialia, 10(1) (2014) 11-25.
[7] S. Ramakrishna, An introduction to electrospinning and nanofibers, World Scientific 2005
[8] J.-H. He, Y.-Q. Wan, L. Xu, Nano-effects, quantum-like properties in electrospun nanofibers, Chaos, Solitons & Fractals, (2007) 26-37.
[9] J. Heyligers, C. Arts, H. Verhagen, P.G. De Groot, F. Moll, Improving small-diameter vascular grafts: From the application of an endothelial cell lining to the construction of atissue-engineered blood vessel, Annals of vascular surgery, 19(3) (2005) 448-456.
[10] A.B. Voorhees Jr, A.H.B. Alfred Jaretzki III, The use of tubes constructed from vinyon “N” cloth in bridging arterial defects: a preliminary report, Annals of surgery, 135(3) (1952) 332.
[11] M.Y. Kariduraganavar, A.A. Kittur, R.R. Kamble, Polymer synthesis and processing, in: Natural and Synthetic Biomedical Polymers, Elsevier, 2014, pp. 1-31
[12] D. Pankajakshan, D.K. Agrawal, Scaffolds in tissue engineering of blood vessels, Canadian journal of physiology and pharmacology, 88(9) (2010) 855-873.
 [13] H.w. Choi, J.K. Johnson, J. Nam, D.F. Farson, J. Lannutti, Structuring electrospun polycaprolactone nanofiber tissue scaffolds by femtosecond laser ablation, Journal of Laser Applications, 19(4) (2007) 225-231.
[14] F. Hess, History of (MICRO) vascular surgery and the development of small-caliber blood vessel prostheses (with some notes on patency rates and re endothelialization), Microsurgery, 6(2) (1985) 59-69.
[15] N. Jirofti, D. Mohebbi-Kalhori, A. Samimi, A. Hadjizadeh, G.H. Kazemzadeh, Smalldiameter vascular graft using co-electrospun composite PCL/PU nanofibers, Biomedical Materials, 13(5) (2018) 055014.
[16] H. Wu, J. Fan, C.-C. Chu, J. Wu, Electrospinning of small diameter ٣-D nanofibrous tubular scaffolds with controllable nanofiber orientations for vascular grafts, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 21(12) (2010) 3207-3215.
[17] D. MohebbiKalhori, M. Moreno, S. Dimitrievska, A. Ajji, M. Bureau, Design, Mechanical Optimization and Cell Seeding of Novel Non-woven PET Scaffolds, in: Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society EU Meeting, Galway, Ireland, 2010.
[18] D. Mohebbi-Kalhori. S. Akbari, M. Khorram, and A. Samimi, Electrospinning of Thermoplastic Polyurethane for Vascular Scaffolds, in: ISPST, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran, 2012.
[19] M.A.A. Mukhtar, Relationship between the Structure and Mechanical Properties of PCL Prototype Vascula Graft Reinforced with Knitted PET Fabric, Donghua University College of Textiles 2013.
[20] F. Wang, A. Mohammed, C. Li, P. Ge, L. Wang, M.W. King, Degradable/nondegradable polymer composites for in-situ tissue engineering small diameter vascular prosthesis application, Bio-medical materials and engineering, 24(6) (2014) 2127-2133.
[21] Y. Pan, X. Zhou, Y. Wei, Q. Zhang, T. Wang, M. Zhu, W. Li, R. Huang, R. Liu, J. Chen, Smalldiameter hybrid vascular grafts composed of polycaprolactone and polydioxanone fibers, Scientific reports,7(1) (2017) 3615.
[22] J. Johnson, D. Ohst, T. Groehl, S. Hetterscheidt, M. Jones, Development of novel, bioresorbable, small-diameter electrospun vascular grafts, Journal of Tissue Science & Engineering, 6(2) (2015)1.
[23] M. Khodadoust, D. Mohebbi-Kalhori, N. Jirofti, Fabrication and characterization of electrospun Bi-hybrid PU/PET scaffolds for small-diameter vascular grafts applications, Cardiovascular engineering and technology, 9(1) (2018) 73-83.
[24] M. Mirbagheri, D. Mohebbi-Kalhori, N.Jirofti, Evaluation of mechanical properties and medical applications of polycaprolactone small diameter artificial blood vessels, International Journal of Basic Science in Medicine, 2(1) (2017) 58-70.
[25] N. Jirofti, D. Mohebbi Kalhori, G.H. Kazemzadeh, A. Samimi, Evaluation of biocompatibility and reaction of the immune system of the rat in single and composite electrospun nanofiber structures (PCL/PU) for tissue engineering applications, Journal of Cell & Tissue,8 (2017) 242-249.
[26] C. Chen, L. Wang, Y. Huang, A novel shapestabilized PCM: electrospun ultrafine fibers based on lauric acid/polyethylene terephthalate composite, Materials Letters,, 62(20) (2008) 3515-3517.
[27] C. Chen, L. Wang, Y. Huang, Morphology and thermal properties of electrospun fatty acids/ polyethylene terephthalate composite fibers as novel form-stable phase change materials Solar Energy Materials and Solar Cells, 92(11) (2008) 1382-1387.
[28] H. Karakaş, A. Sarac, T. Polat, E. Budak, S. Bayram, N. Daģ, S. Jahangiri, Polyurethane nanofibers obtained by electrospinning process, World Academy of Science, Engineering and Technology,  7 (2013) 498-501.
[29] S. Chen, J. An, L. Weng, Y. Li, H. Xu, Y. Wang, D. Ding, D. Kong, S. Wang, Construction and biofunctional evaluation of electrospun vascular graft loaded with selenocystamine for in situ catalytic generation of nitric oxide, Materials Science and Engineering: C, 45 (2014) 491-496.
[30] F. Ajalloueian, M.L. Lim, G. Lemon, J.C. Haag, Y. Gustafsson, S. Sjöqvist, A. BeltránRodríguez, C. Del Gaudio, S. Baiguera, A. Bianco, Biomechanical and biocompatibility characteristics of electrospun polymeric tracheal scaffolds, Biomaterials, 35(20) (2014) 5307-5315.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 52، شماره 12
اسفند 1399
صفحه 3567-3582

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار